Главная Промышленная автоматика.

л. - Разразившийся скандал будет ничуть не меньше, чем в случае со слишком многочисленными семьями. Этот трехвалентный атом образует валентные связи с тремя соседними атомами, а в районе четвертого атома образуется брешь, или дырка, которую легко мог бы заполнить какой-нибудь посторонний электрон (рис. 12).

Н. - Короче говоря, эта семья с тремя детьми всемерно стремится усыновить четвертого, чтобы следовать традиции племени или, вернее, чтобы сообразоваться с его общей организацией. Но если она «позаимствует» этого ребенка у чужой семьи, то у последней в свою очередь образуется дырка.

Л. - Разумеется, и это движение заимствований или похищений детей может даже перемещаться с одного конца кристалла на другой.


ооооо


Рис. 12. Здесь в кристаллической решетке полупроводника имеется трехвалентный примесный атом который стремится притянуть к себе электрон от соседнего атома

- оо о о о]-



Рис. 13. в полупроводнике типа р трехвалентный примесный атом захватывает электрон соседнего атома полупроводника, оставляя там дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, оторвавшимся от соседнего атома, и т. д.

На нашем рисунке показаны последовательные фазы такой проводимости, когда дырка, представляющая собой положительный заряд, перемещается от положительного полюса к отрицательному. В последней фазе электрон, поступивший из источника тока, заполняет ближайшую к отрицательному полюсу дырку, одновременно другой электрон покидает ближайший к положительному полюсу атом, на его месте возникает новая .дырка", и все

начинается сначала!..

Н. - Если, как я предполагаю, к кристаллу приложить напряжение.

Л. - Очевидно. Но проследи внимательно, что происходит в этом случае (рис. 13). Придя с той стороны, где находится отрицательный полюс, электрон заполнил дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизился к положительному полюсу, тогда как новая дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление. Новая дырка в свою очередь заполняется электроном, приблизившимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка оказалась еще ближе к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого путешествия электрон достигает положительного полюса, откуда он направляется в источник тока, дырка достигает отрицательного полюса, где она заполняется электроном, поступившим из источника тока.

Два потока

Н. -Значит, когда электроны, как им и полагается, направляются к положительному полюсу, дырки перемещаются к отрицательному полюсу, как если бы они были частицами с положительными зарядами.

Л.- Да, действительно, все происходит так, как если бы в полупроводнике с трехвалентными примесями положительные заряды, противоположные электронам, перемещались от положительного полюса к отрицательному.





Н. - Таким образом, дырки следуют по условно принятому направлению электрического тока от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Но можно лн сказать, что здесь мы имеем электрический ток, созданный положительными зарядами?

Л. - А почему бы и иет? Не надо только забывать, что дырка представляет собой лишь свободное место, предназначенное для электрона.

н. - Я предполагаю, что полупроводник, содержащий трехвалентные примеси, должен принадлежать к типу р (от слова positive - положительный) .

Л. - Да, так его и называют. И раз уж ты сейчас в настроении серьезно поразмыслить, может быть, ты скажешь мне, что происходит с атомами примесн, когда электроны с соседних атомов заполняют их дырки.

Н. - Они становятся отрицательно заряженными ионами, потому что количество электронов стало больше количества их протонов... Весьма любопытно, что в полупроводнике типа п примеси ионизируются положительно, а в полупроводнике типа р - отрицательно.

Л. - Я добавлю, что атомы примесей типа р, такие как атомы алюминия, галлия или индия, часто называют акцепторами, так как они принимают на себя электроны, тогда как атомы примесей типа п отдают Их полупроводнику.

Н. - Я начинаю чувствовать, что в моей голове из всех этих доноров и акцепторов получается винегрет.

л. - Поэтому я дам тебе маленькое мнемоническое правило: в слове «донор» есть буква эн (л), а в слове акцептор - буква пэ (р).

Н. - Спасибо, это несколько облегчит проблему.



Переход, представляющий собой барьер

л. - Раз ты уже знаешь нравы кристаллических обществ, спокойствие которых нарушается экстравагантными семьями доноров и акцепторов, рассмотрим теперь, что даст объединение полупроводника типа га с полупроводником типа р. Представь себе, что, взяв чистый кристалл германия, я одну половину его «отравил», введя атомы-доноры (например, атомы мышьяка), а в другую половину ввел атомы-акцепторы (индия, если хочешь). Зона разграничения между разными типами полупроводников носит название р-п перехода. Его толщина порядка 0,3 мк, но такая ничтожная протяженность зоны р-п перехода не мешает ей играть колоссальную роль.

н. - Я ие вижу в этом переходе ничего особенного. В каждой половине нашего кристалла электроны будут продолжать свои короткие прогулки, совершенно не ведая, что происходит в его второй половине.

Л. - Ошибаешься, друг мой. Обычный тепловой ток в этом случае будет сопровождаться другим явлением. Отрицательно ионизированные примесные атомы области р оттолкнут от перехода свободные электроны в области п.

Н. - Правда, а я и не подумал об этом взаимном отталкивании одноименных зарядов... Но в этом случае положительно ионизированные атомы области га должны оттолкнуть от перехода дырки в области р.

Л. - Правильно, эти дырки (которые можно рассматривать как элементарные положительные заряды) отталкиваются. В действительности же положительные ионы области га притягивают электроны области р к переходу, в результате чего имеющиеся там дырки заполняются. Вырванные таким образом электроны оставляют дырки на удаленных от перехода атомах. Но все происходит так, как если бы дырки области р ушли от р-п перехода (рис. 14).

Н. - Значит, в прилегающем к переходу пространстве области р все атомы-акцепторы будут заполнены, т. е. ионизированы отрицательно. Точно так же в области га все атомы-доноры вблизи перехода потеряют по электрону, что сделает их положительными ионами. В то же время свободные носители электрических зарядов (электроны и дырки) в области р-п перехода отсутствуют, так как заряды ионов примесей оттолкнули их отсюда к краям кристалла. Все это очень любопытно: наш переход превращается в своего рода барьер между двумя областями, из которых одна с отрицательным, а дру1ая с положительным потенциалом.



л.- Да, ты очень хорошо рассудил: переход представляет собой настоящий потенциальный барьер. В этом тончайшем слое полупроводника потенциал ионизированных атомов резко переходит от положительного значения (в области п - не забудь этого!) к отрицательному (в области р). Но в общей сложности кристалл остается нейтральным,

Э Электрон

Q Дырка

© Ионизированный данор

© 0 ® © да

®в ©®е®® 0 ©;:©7©®

е®е%®©©©

1к ©о©

Рис. 14. Переход р-п. Дырки области р отталкиваются от перехода, оставляя возле него отрицательные ионы акцепторной примеси. Точно так же свободные электроны области п. отталкиваются от перехода, оставляя возле него положительные ноны донор-ной примеси. Запомните хорошенько принятые здесь четыре условных обозначения, так как они используются на следующих рисунках.


так как в целом положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг-друга. Создав в полупроводнике области типа р и типа л, мы просто вызвали перемещение подвижных зарядов в оба конца каждой области, тогда как в отсутствие р-п перехода заряды распределяются равномерно по всему кристаллу.

Н. - Все это представляется мне совершенно ясным, но какая нам польза от Этого перехода с его потенциальным барьером?

Л.- Ты сразу же ее обнаружишь, если приложишь к р-п переходу напряжение.

Электроны и дырки на прогулке

Н,-- я предполагаю, что мы получим ток, образуемый свободными электронами области п и дырками области р, причем одни движутся в одну, а другие - в обратную сторону.

Л. - Сказанное тобой может быть правильно, но ты слишком спешишь. Сначала необходимо рассмотреть порознь, что происходит в нашем полупроводнике с р-п переходом при одной и другой полярности приложенного напряжения. Первоначально допустим, что положительный полюс источника напряжения соединен с областью р, а отрицательный полюс - с областью п (рис. 15).

е>* ©*


Рис. 15. Прохождение тока через р-п переход. На рисунке обозначены только носители зарядов; электроны (помечены знаком минус) и дырки (помечены знаком плюс), а доноры области п и акцепторы области р для большей ясности опущены.

Н. - Хорошо. В области п свободные электроны полупроводника будут отталкиваться в сторону перехода электронами, поступающими из источника напряжения. Они пересекут переход и примутся заполнять дырки, которые положительный потенциал источника подогнал к этому переходу.

Л. - Чтобы быть более точными, скажем, что положительный полюс источника будет притягивать к себе электрон каждый раз, когда другой электрон преодолеет переход, перепрыгнув из области п в область р.






0 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

0.0033